JP2595113B2 - 半導体製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体製造装置および製造方法に係り、とく
にイオン打ち込み、エッチング用等の半導体ウエハを低
温で処理する装置に関わる。

［従来技術］ 従来のイオン打ち込みの半導体製造装置は原理的に第
２図に示すような構造になっていた。イオン源１から放
出されるイオンは同図では省略されたフォーカス、およ
び加速装置等によりイオンビーム４に収束され、電磁石
３により偏向されて質量分離される。その後、スリット
６により所要の質量のイオンが選択され分析室８内のウ
エハ７に打ち込まれるようになっていた。

上記イオン打ち込み装置において半導体ウエハを冷却
する方法の一例が、例えば特開昭和63−133442号公報に
開示されている。同公報によれば、ウエハを保持するウ
エハホルダを例えば室温の水により冷却して、とくに上
記ウエハとウエハホルダ間の熱適接触を向上せしめて上
記冷却効率を向上するようにしていた。しかし、上記従
来技術ではウエハの温度上昇を抑えることを目的として
いたため、室温以下にまで冷却することができなかっ
た。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術において、ウエハホルダを冷却する冷媒
に室温の水を用いる場合には、ウエハとウエハホルダ間
の接触熱抵抗が過大であるため、ウエハ温度は室温より
も可成高くなっていた。

また、最近のウエハプロセスの低温化要求に対応する
ために液体窒素等を用いるようにすると、液体窒素は通
常、使い捨てされるため不経済であるばかりでなく、同
ボンベ交換、補充等作業性が著しく悪くなると同時に、
液体窒素の配管、同締結部が氷結したりするので十分な
断熱対策が必要となる。さらに、液体窒素を液体のまま
冷却部に接触せしめて冷却するようにするので、温度を
精度良く制御することも困難である。

本発明の目的は、上記従来装置の難点を解消し、室温
からマイナス数10度、さらにはマイナス200度程度まで
の広範な範囲を精度良く制御でき、さらに、冷媒の補充
を必要としない経済的な半導体製造装置を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記課題を解決するため、半導体ウエハをウ
エハホルドに搭載し加工する半導体製造装置において，
上記ウエハホルダ内空洞部に、液化冷媒を導入してその
蒸発冷却を制御して上記半導体ウエハを冷却するように
する。

さらに、上記ウエハホルダを回転円板状に形成し、そ
の外周部表面に上記半導体ウエハを搭載し、上記半導体
ウエハの搭載面に近接して設けた上記空洞部内に、上記
冷媒を複数のノズルより放出するようにする。

さらに、上記空洞部内に放熱フィンを設け、熱交換の
効率を高めるようにする。

また、上記ウエハホルダの回転軸内中空部を介して、
上記液化冷媒を供給し、また、上記気化冷媒を排気する
ようにする。

さらに、上記気化冷媒を圧縮機により圧縮して熱交換
により冷却して液化し、循環させ再利用するようにす
る。

さらに、上記半導体ウエハの温度を検出して上記圧縮
機の運転を制御し、上記半導体ウエハの温度を制御する
ようにする。

さらに、上記半導体ウエハにイオンビームを照射する
加工時間内は上記ノズルからの上記冷媒の放出を断続し
ないようにし、上記半導体ウエハの温度変動を低減す
る。

［作用］ 以上のように構成した本発明の半導体製造装置は、ウ
エハホルダの半導体ウエハ搭載面に近接して設けた空洞
部に液化冷媒を導入し、その気化冷却により上記半導体
ウエハを冷却する。

さらに、上記空洞部内に上記液化液化冷媒の導入孔を
複数設けて上記半導体ウエハの温度分布を均一化し、さ
らに、上記空洞部内に放熱フィンを設けて、上記半導体
ウエハと上記冷媒間の熱交換効率を改善する。

さらに、上記冷媒の気化速度を制御して上記半導体ウ
エハの温度を制御する。

さらに、上記気化冷媒を冷却、圧縮して液化し、これ
を上記ウエハホルダの回転軸内の空洞部を介して循環さ
せ再利用する。

［実施例］ 第１図は半導体イオン打ち込み装置における本発明の
原理的構成を示す図である。第１図は打ち込み室８の断
面とウエハの冷却に必要な主要装置とを示している。

第１図において、打込室８内のウエハホルダ10上に配
置されたウエハ７に上方よりイオンビームが照射され
る。打込室８内は排気装置12により所要の真空度に排気
される。ウエハホルダ10の内の空洞部11には、配管13に
より液化冷媒が導入され、ノズル15より放出される。こ
のとき冷媒は気化し、その気化の潜熱によりウエハホル
ダ10を冷却し、ウエハ７を冷却する。気化した冷媒は配
管14を介して真空ポンプ17により吸引され、圧縮機16に
より圧縮され、熱交換器15により冷却、液化されて、再
び配管13を通ってウエハホルダ10内に送られる。なお、
19、20は熱交換器15用冷却水の配管である。

上記真空ポンプ17は空洞部11内を液化冷媒の気化を効
率良く行なう為に用いられる。しかし、圧縮機16も液化
冷媒を吸引する力があり、この力で十分な場合には真空
ポンプ17を省略することができる。また、ノズル18の口
径は上記液化冷媒の放出量に合わせて設定される。

また、配管14内を通る気化冷媒には冷気が残っている
ので、これを利用して配管13と14間に熱交換器23を設
け、配管13を通過する液化冷媒を冷却するようにする。

打込室８内には温度検出器21が設けられ、ウエハ７が
放射する赤外線を検出し、その信号は制御装置22に入力
され、温度指令値と比較されて圧縮機16の運転を制御す
る。同図では省略されている上記温度指令値を変更する
ことにより、ウエハ７温度を任意に設定することができ
る。

空洞部11内の温度は上記冷媒の沸点に相当し、空洞部
11内の圧力を低めると上記沸点も低下する。

例えば、空洞部11内の圧力を１気圧とすると、上記冷
媒が窒素の場合、その沸点は略−195℃なので、空洞部
内の温度を−190℃程度にまで下げることができ、同様
に、フレオン22を用いると空洞部内の温度を−40℃程度
にまで下げることができる。また、上記圧力を0.1気圧
とすると、上記冷媒が窒素の場合、空洞部内の温度を−
200℃以下にまで下げることができる。

第３図は、上記冷却サイクルにおける液化温度とエン
トロピの関係を示す図である。圧縮機16および熱交換器
15により、冷媒のエントロピは同図のａからb,cのよう
に低下し、さらに熱交換器23によりｄまで低下する。次
に、空洞部11内で断熱膨張してｅに移り、場合によって
はここで一部が液化し（ｅからｆの部分）、ウエハ７の
熱により加熱されａまで増加し、上記サイクルを閉じ
る。

第４図は第１図に示した本発明の原理装置を実際の半
導体イオン打ち込み装置に適用した本発明の１実施例を
示す図である。第１図は打込室８の断面とウエハの冷却
に必要な主要装置を示している。

第４図において、イオンビーム４は真空の打込室８内
に導入され、ウエハ７に照射される。ウエハ７は回転円
板状のウエハホルダ10の周辺部に複数配置され、モータ
24により回転されて順次イオン打ち込みを受けるように
なっている。ウエハホルダ10の周辺部の内部には空洞部
11が設けられ、その中で冷媒が気化される。このため、
ウエハホルダ10の内部には冷媒導入部材25が設けられ
る。冷媒導入部材内には熱交換器15から配管13を介して
液化冷媒が導入され、その端部に設けられたノズル18よ
り空洞部11に向けて放出される。このとき冷媒は気化
し、その気化の潜熱によりウエハホルダ10を冷却する。
気化した冷媒は配管14を介して圧縮器16内に入り圧縮さ
れ、熱交換器15により冷却され、配管13を通って再びホ
ルダ10内に送られる。

ウエハホルダ10に送られる液化冷媒とこれより出てく
る気化冷媒はウエハホルダ10の回転軸内を通過する際
に、相互に隣接して熱交換を行うので、上記回転軸が第
１図の熱交換器23に相当する。また、第１図の真空ポン
プ17は省略されている。

上記第４図の装置によるイオン打ち込み条件の一例を
挙げると以下のようになる。ウエハホルダ10の外周部上
に直径略200mmの半導体ウエハ７が複数枚並べられ、直
径が40〜50mmのイオンビーム４が５〜10分間照射され
る。この間、ウエハホルダ10は略720rpmで回転し、さら
にイオンビーム４の直径がウエハ７の直径よりも小さい
ので、イオンビーム４をウエハ７の全域に均等に照射す
る為に、同図では省略された機構により、ウエハホルダ
10の回転軸を半径方向に毎秒数10mm程度の速度で移動さ
せる。上記イオンビーム４のエネルギは略2kWである。
したがって、上記複数のウエハ７とウエハホルダ10の表
面で上記略2kWのエネルギが熱に変換されることにな
り、この熱エネルギを上記冷媒の気化潜熱により排除し
て各ウエハ７の温度を所定の値に保つのである。

このように、排除する熱エネルギの量が膨大であるた
め、装置の運転効率を高める必要上、圧縮機16、及び熱
交換機15等により冷媒を再利用すること極めて効果的な
のである。また、例えば、直径が200mmのウエハ７をウ
エハホルダ10上に10枚並べると、ウエハホルダ10の外径
は略800mm以上となり、アルミニウムで製作してもその
重量、回転モーメント等は相当に大きのものとなり、起
動時の回転立ち上げに時間を要し、その駆動装置を大型
化する。

したがって、ウエハホルダ10を出来るだけ薄肉化して
軽くする必要がある。しかし、薄肉化すると熱容量が減
るので、温度が不均一になりやすいため、気化した冷媒
をウエハホルダ10のウエハ搭載面上の背面に均一に照射
する必要が生じる。

第５図ないし第７図は上記の目的を達成するため、ノ
ズル18を複数配置する本発明の実施例を示す図である。
第５図ないし第７図はウエハホルダ10のウエハ搭載面の
内部を平面的に示している。

第５図は、冷媒導入部材25を３本設け、それぞれの先
端にノズル18を設けた場合である。配管13より送られて
きた液化冷媒は接続部131より各冷媒導入部材25を経て
各ノズル18より放出される。このとき、各冷媒導入部材
25のり長さを変えることによりウエハ搭載面の下部を一
様に冷却することができる。また、冷媒導入部材25の数
を増やせばさらに一様に冷却することができる。

第６図は、第５図における各冷媒導入部材25間をノズ
ル管251で接続し、その上に複数のノズル18を配置した
場合である。ノズル18の数を必要に応じて増やせるた
め、ウエハ搭載面の下部を一様に冷却することができ
る。

第７図は、第６図に置けるノズル管を252のように蛇
行させて、各ノズル18からの冷媒放出がウエハの直径の
全域に広がり、ウエハ搭載面の下部を広く一様に冷却す
るようにしたものである。

また、第１図、第４図ないし第７図に示した本発明実
施例において、各ウエハホルダ10の空洞部11の表面上
に、放熱フィン状の突起を設けることにより、気化した
冷媒とウエハホルダ10との接触面積を増やせるので、冷
却効率をさらに高めることができる。上記放熱フィン状
の突起は空洞部11の大きさや回転数等に応じ、ウエハホ
ルダ10の回転軸と同軸状、あるいは同直径方向に放射
状、その他の形状とすることができる。

また、上記各ウエハ７の温度は上記各ノズル18からの
冷媒放出量を調節して行なわれる。このとき、冷媒の放
出を断続して上記調節を行なうと、ウエハ温度にリップ
ルが伴う。通常のイオン打ち込みに要求されるウエハの
温度変動は10℃程度であり、この程度は上記冷媒を断続
する方法により達成することができる。しかし、冷媒放
出量を連続的に制御すれば、上記温度リップルをさらに
少なくすることができる。

［発明の効果］ 本発明の半導体製造装置は、冷媒の蒸発冷却によりウ
エハホルダ上の半導体ウエハを効率良く冷却する。

また、圧縮機、熱交換器等により上記蒸発した冷媒を
液化し、効率良く経済的に再利用する。

さらに、半導体ウエハの温度を検出して上記圧縮機を
制御し、上記半導体ウエハの温度を、高精度に制御す
る。たとえば、上記ウエハホルダ内の空洞部の圧力を１
気圧に設定した場合、冷媒として窒素を用いると−190
℃程度まで、また、フレオンを用いると−40℃程度まで
上記半導体ウエハを温度を設定することができる。

さらに、上記液化冷媒の導入孔を複数設け、これらを
分散配置することにより、上記半導体ウエハの温度分布
を均一化する。

さらに、上記空洞部内に放熱フィンを設け、上記半導
体ウエハと上記冷媒間の熱交換効率を改善する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の原理的構成を示す図、第２図は従来の
イオン打ち込み装置の原理図、第３図は本発明装置の冷
却サイクル図、第４図は本発明実施例の部分断面図、第
５図ないし第７図は本発明実施例のウエハホルダの内部
を示す図である。 １……イオン室、３……電磁石、４……イオンビーム、
５……分析管、７……ウエハ、８……打込室、10……ウ
エハホルダ、11……空洞部、13……配管、15……熱交換
器、16……圧縮機、18……ノズル、21……温度検出器、
22……制御装置、24……モータ、25……ノズル管。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウエハを搭載するウエハホルダの内
   部の空洞部に、液化冷媒を放出して気化するノズルを備
   えた液化冷媒の導入部と、上記気化された冷媒を排気す
   る排気部とを備えた半導体製造装置において、上記ノズ
   ルを複数設け、さらに、上記複数のノズルの上記ウエハ
   ホルダの回転中心に対するそれぞれの距離を不均一に分
   布せしめたことを特徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】請求項１において、上記ウエハホルダの上
   記空洞部内に放熱フィンを備えるようにしたことを特徴
   とする半導体製造装置。